Интерференционные методы регистрации полей тепловых потоков и давления на обтекаемых поверхностях

• Автор: Голубев, Максим Павлович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 127 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. Общие положения диссертационной работы
2. Краткий обзор оптических методов
3. Некоторые особенности использования оптических
методов в аэрофизическом эксперименте
4. Используемое в работе оборудование
ГЛАВА 1. Интерференционный метод регистрации тепловых потоков
1.1. Интерференция двух монохроматических волн
1.2. Физические основы метода
1.3. Чувствительность и точность метода
1.4. Оптические схемы измерений
1.5. Результаты тестовых измерений
1.6. Пространственное и временное разрешение метода
1.7. Примеры использования метода
1.8. Основные результаты главы
ГЛАВА 2. Панорамный метод регистрации полей давления
2.1. Физические основы метода
2.2. Постановка и решение задачи теории упругости
2.4. Анализ решения
2.4. Временные характеристики
2.5. Определение передаточной функции
2.6. Тестовые эксперименты
2.7. Основные результаты главы
ГЛАВА 3. Фазовая спекл-интерферометрия
3.1. Ограничения применения схем, работающих в зеркально отраженном свете
3.2. Спеклы - основные понятия
3.3. Интерференция диффузных волн - спекл интерферометрия
3.4. Схемы регистрации интерферограмм в регулярных полосах
3.5. Схемы регистрации и примеры использования фазовой спекл интерферометрии
3.6. Основные результаты главы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы
Развитие авиационной и космической техники предъявляет все более высокие требования к количеству и качеству информации, получаемой при изучении трехмерного обтекания летательных аппаратов в широком диапазоне летных параметров. Это ведет к необходимости, наряду с совершенствованием традиционных для аэрофизического эксперимента методов регистрации (измерения с помощью пневмодатчиков, термоанемометров, термопар и др.), внедрения новых или мало распространенных, но более производительных, как количественных, так и качественных методов. Это в полной мере относится и к методам регистрация параметров на обтекаемых поверхностях и, в частности, тепловых потоков и полей давления. Необходимость их развития обусловлена следующими факторами:
• Любые методы измерений имеют ограничения по чувствительности, динамическому диапазону, точности измерений, а также по пространственному и временному разрешению.
• Расширение линейки доступных методов позволяет одновременно регистрировать несколько параметров потока и / или проводить регистрацию одного и того же параметра альтернативными способами. Это увеличивает достоверность значений измеряемой величины и служит достаточно надежным подтверждением адекватности используемых методов.
• Важным является снижение стоимости эксперимента, что требует усовершенствования экспериментальной базы, в том числе и методов измерения, в плане повышения качества и количества получаемой за единицу времени информации.
Указанные факторы важны практически для всех методов диагностики. Однако оптические методы обладают присущими только им достоинствами, что служит дополнительным стимулом их развития. К ним относятся: возможность бесконтактных измерений; возможность панорамной регистрации инте-

ресуемого параметра; возможность получения “мгновенной”, по сравнению с характерным временем исследуемого- процесса, информации; высокое пространственное разрешение; в некоторых случаях возможность получения информации недоступной при использовании других методов.
В настоящее время известен ряд оптических методов регистрации тепловых потоков и давления на обтекаемых поверхностях. Наибольшее распространение получили панорамные методы. Для регистрации температуры широко применяются тепловизоры, а также различные термоиндикаторные покрытия на основе термочувствительных красителей, индикаторов плавления, жидких кристаллов (ЖК покрытия). Для регистрации поверхностного трения используются жидкие пленки, эластичные, люминесцентные и ЖК покрытия. Оптическая регистрация полей давления осуществляется с помощью барочувствительных люминесцентных и эластичных покрытий.
Наряду с достоинствами, данные методы обладают определенными недостатками. Например, термоиндикаторные покрытия на основе термочувствительных красителей и индикаторов плавления, резко меняющих свою окраску при переходе определенного уровня температуры, позволяют визуализировать только одну или, в некоторых случаях, несколько изотерм. Существенным ограничением в использовании ЖК-покрытий является узкий температурный рабочий диапазон. При использовании тепловизоров необходимо наличие информации о коэффициенте серости поверхности, что требует дополнительных калибровочных измерений. Возможно влияние отраженного исследуемой поверхностью излучения от более нагретых участков, как самой модели, так и конструктивных узлов установки, что особенно сильно может проявляться при проведении экспериментов на высокоэнтальпийных установках.
Регистрации давления с помощью люминесцентных покрытий требует наличия кислорода в газе. Метод фактически регистрирует его концентрацию, а не давление газа в потоке. Относительно малая скорость выравнивания концентрации кислорода в матрице ограничивает применение методики при исследовании быстропротекающих процессов. Чувствительность, выражающаяся в
3. Учитывается только температурный коэффициент изменения показателя
преломления р = дп /дТ и температурный коэффициент линейного расширения
а = 8Ы ЬдТ. Влияние упругооптических эффектов на изменение оптического пути не рассматривается.
4. Распространение тепла вдоль поверхности не учитывается, т. е. решается одномерная задача.
5. Предполагается, что за время измерений все тепло вошедшее в датчик не выходит из его объема.
С учетом принятых допущений разницу оптического пути для плоских волн, отраженных от стеклянной пластины в некоторый начальный момент времени г"о, можно представить в виде
Здесь учитывается возможность непостоянства температуры Т, а значит, и коэффициента преломления по объему пластины. Следует отметить, что оптический путь и коэффициент преломления в выражении (1.7) могут быть различными для разных точек обтекаемой поверхности, то есть являются некоторыми функциями от координат (х, у). Так как согласно допущению 4 решается одномерная задача, то далее используется упрощенная запись, без указания функциональной зависимости параметров от координат поверхности (х, у).
При наличии теплового потока Q распределение температуры внутри пластины с течением времени будет меняться. В момент времени й, значение разности оптических путей описывается выражением, аналогичным (1.7). Изменение разности оптических путей за время Ат = — Т0, зависит от изменения распределения температуры вдоль пути распространения излучения. Изменение дифференциала разницы оптических путей с/А5=2н(/,7)с// за время Дг может быть представлено в виде
(1.7)

8е/№(1) = с1№п - <ЛМ,0 = 5ТЦ) = 2ЪТ(1) (р + па)с11,

(1.8)
где бТ(Г) - изменение температуры в соответствующей точке.